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KR102951435B1 - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents
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KR102951435B1 - 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩 - Google Patents

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩

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KR102951435B1
KR102951435B1 KR1020210065126A KR20210065126A KR102951435B1 KR 102951435 B1 KR102951435 B1 KR 102951435B1 KR 1020210065126 A KR1020210065126 A KR 1020210065126A KR 20210065126 A KR20210065126 A KR 20210065126A KR 102951435 B1 KR102951435 B1 KR 102951435B1
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈은, 복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 셀 어셈블리; 적어도 하나 이상의 상기 배터리 셀 어셈블리를 수용하는 내부 공간을 갖는 모듈 하우징; 및 상기 배터리 셀 어셈블리의 일 측에 위치하는 냉각 유닛; 을 포함하고, 상기 냉각 유닛은, 제 1 냉각 플레이트 및 냉각액 유로가 형성되도록 상기 제 1 냉각 플레이트와 이격되며 상기 제 1 냉각 플레이트보다 상기 배터리 셀 어셈블리와 더 가깝게 배치되는 제 2 냉각 플레이트; 를 포함하고, 상기 제 2 냉각 플레이트의 적어도 일 부분에는 패턴부가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩{BATTERY MODULE AND BATTERY PACK COMPRISING THE BATTERY MODULE}
본 발명은 배터리 모듈 및 이를 포함하는 배터리 팩에 관한 것이다.
제품 군에 따른 적용 용이성이 높고, 높은 에너지 밀도 등의 전기적 특성을 가지는 이차 전지는 휴대용 기기뿐만 아니라 전기적 구동원에 의하여 구동하는 전기차량(EV, Electric Vehicle) 또는 하이브리드 차량(HEV, Hybrid Electric Vehicle) 등에 보편적으로 응용되고 있다. 이러한 이차 전지는 화석 연료의 사용을 획기적으로 감소시킬 수 있다는 일차적인 장점뿐만 아니라 에너지의 사용에 따른 부산물이 전혀 발생되지 않는다는 장점 또한 갖기 때문에 친환경 및 에너지 효율성 제고를 위한 새로운 에너지원으로 주목 받고 있다.
현재 널리 사용되는 이차 전지의 종류에는 리튬 이온 전지, 리튬 폴리머 전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈 수소 전지, 니켈 아연 전지 등이 있다. 이러한 단위 이차 전지 셀, 즉, 단위 배터리 셀의 작동 전압은 약 2.5V ~ 4.5V이다. 따라서, 이보다 더 높은 출력 전압이 요구될 경우, 복수 개의 배터리 셀을 직렬로 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 또한, 배터리 팩에 요구되는 충방전 용량에 따라 다수의 배터리 셀을 병렬 연결하여 배터리 팩을 구성하기도 한다. 따라서, 상기 배터리 팩에 포함되는 배터리 셀의 개수는 요구되는 출력 전압 및/또는 충방전 용량에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
한편, 복수 개의 배터리 셀을 직렬 및/또는 병렬로 연결하여 배터리 팩을 구성할 경우, 적어도 하나의 배터리 셀을 포함하는 배터리 모듈을 먼저 구성하고, 이러한 적어도 하나의 배터리 모듈을 이용하여 기타 구성요소를 추가하여 배터리 팩 및/또는 배터리 랙을 구성하는 방법이 일반적이다.
이와 같이 복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 모듈 및/또는 배터리 팩 및/또는 배터리 랙에 있어서는, 일부 배터리 셀에서 문제가 생겨 이상 발열 또는 그로 인한 화재가 발생되는 경우 이러한 발열 및/또는 화재는 인접한 배터리 셀로 전파될 수 있고, 이로 인해 큰 규모의 화재 및/또는 폭발 등의 사고로 이어질 수 있다. 따라서, 이러한 배터리 셀들의 냉각 성능을 개선함과 아울러 과열 등에 따른 위험 상황 발생 시 안전성을 확보하는 것이 중요하다. 즉, 복수 개의 배터리 셀들 중 특정 배터리 셀의 이상 과열 등에 따른 화재 상황 발생 시 주변 배터리 셀들 측으로의 화염이나 열 전달을 보다 신속하고 확실히 차단하는 것이 중요하다.
그러므로, 냉각 성능을 높이며, 안전성을 확보할 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차 및 에너지 저장 시스템을 제공할 수 있는 방안의 모색이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 이상 발열 등으로 인해 내부에서 고온의 가스나 스파크가 발생하더라도 화재 발생을 효과적으로 억제할 수 있는 구조를 갖는 배터리 모듈과 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차 및 에너지 저장 시스템 등을 제공하는 것을 목적으로 한다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 향상된 냉각 성능을 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차 및 에너지 저장 시스템을 제공하기 위한 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 배터리 모듈은, 복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 셀 어셈블리; 적어도 하나 이상의 상기 배터리 셀 어셈블리를 수용하는 내부 공간을 갖는 모듈 하우징; 및 상기 배터리 셀 어셈블리의 일 측에 위치하는 냉각 유닛; 을 포함하고, 상기 냉각 유닛은, 제 1 냉각 플레이트 및 냉각액 유로가 형성되도록 상기 제 1 냉각 플레이트와 이격되며 상기 제 1 냉각 플레이트보다 상기 배터리 셀 어셈블리와 더 가깝게 배치되는 제 2 냉각 플레이트; 를 포함하고, 상기 제 2 냉각 플레이트의 적어도 일 부분에는 패턴부가 구비되어 있다.
여기서, 상기 모듈 하우징은, 측부 커버 및 하부 커버를 포함하고, 상기 냉각 유닛은, 상기 배터리 셀 어셈블리의 상부를 커버할 수 있다.
또한, 상기 패턴부는, 상기 제 2 냉각 플레이트의 양 면 중 적어도 일 면에 형성될 수 있다.
한편, 상기 패턴부는, 상기 제 2 냉각 플레이트의 두께를 감소시키도록 형성된 적어도 하나의 홈을 포함할 수 있다.
한편, 상기 제 1 냉각 플레이트는, 상기 제 2 냉각 플레이트를 향하는 방향으로 오목하게 형성된 리세스(recess)를 적어도 하나 이상 구비할 수 있다.
한편, 상기 리세스는, 상기 제 2 냉각 플레이트와 접할 수 있다.
여기서, 상기 리세스는, 상기 배터리 모듈의 길이 방향 또는 폭 방향을 따라 연장된 형태를 가질 수 있다.
또한, 상기 제 1 냉각 플레이트는 상기 리세스를 복수 개 구비하고, 복수 개의 상기 리세스는 상호 이격될 수 있다.
한편, 상기 배터리 셀은, 한 쌍의 전극 리드를 구비하는 파우치형 셀일 수 있다.
한편, 상기 배터리 셀은, 상기 한 쌍의 전극 리드가 상기 측부 커버를 향하는 방향을 따라 연장되도록 상기 하부 커버 상에 기립 배치될 수 있다.
한편, 상기 제 2 냉각 플레이트는, 알루미늄으로 이루어질 수 있다.
그리고, 본 발명은, 전술한 실시예들에 따른 적어도 하나의 배터리 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 팩을 제공한다.
아울러, 본 발명은, 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차를 제공한다.
아울러, 본 발명은, 전술한 실시예에 따른 적어도 하나의 배터리 팩을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 저장 시스템을 제공한다.
본 발명에 의하면, 배터리 모듈의 화재 발생이 효과적으로 방지될 수 있다.
특히, 본 발명에 의하면, 배터리 모듈 내에 포함된 특정 배터리 셀에서 이상 발열 현상 등으로 인해 고온의 가스 및/또는 스파크가 발생하더라도, 화재로 진행하지 않도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 배터리 셀의 과열 등에 따른 이상 상황 발생 시 안전성을 확보할 수 있는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차 및 에너지 저장 시스템을 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명에 의하면, 향상된 냉각 성능을 갖는 배터리 모듈, 이를 포함하는 배터리 팩, 자동차 및 에너지 저장 시스템을 제공할 수 있다.
이 밖에도 본 발명은 여러 다른 효과를 가질 수 있으며, 이에 대해서는 각 실시예에서 설명하거나, 통상의 기술자가 용이하게 유추할 수 있는 효과 등에 대해서는 해당 설명을 생략하도록 한다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 배터리 셀의 예시적 형태를 나타내는 도면이다.
도 4는, 도 2에서 A-A'를 따라 절단한 단면을 보여주는 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 홈을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 홈을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은, 일부 배터리 셀에서 벤팅이 발생됨에 따라 냉각액이 배터리 셀 어셈블리의 수용 공간으로 유입되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 발명의 이해를 돕기 위하여, 첨부된 도면은 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 분해 사시도이고, 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 모듈(1)은, 적어도 하나의 배터리 셀 어셈블리(10), 모듈 하우징(20) 및 냉각 유닛(30)을 포함한다.
상기 배터리 셀 어셈블리(10)는, 복수의 배터리 셀(11)을 포함한다. 상기 복수의 배터리 셀(11)은 이차 전지일 수 있다. 상기 배터리 셀(11)은, 전극 조립체 및 전극 조립체를 수용하는 전지 케이스를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 셀 어셈블리(10)에 구비된 배터리 셀(11)은, 예를 들어 파우치형 배터리 셀(11)일 수 있다. 다만, 이로써 상기 배터리 셀(11)의 종류를 한정하는 것은 아니며, 이를테면 원통형 셀이나 각형 셀 등과 같은 다른 형태의 배터리 셀도 본 발명의 배터리 셀 어셈블리(10)에 채용될 수 있다.
이하, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 배터리 셀(11)이 파우치형 배터리 셀인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다. 도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈에 적용되는 배터리 셀의 예시적 형태를 나타내는 도면이다.
상기 배터리 셀(11)은, 전극 조립체(미도시), 전극 조립체를 수용하는 파우치 케이스(12) 및 전극 조립체와 연결되며 파우치 케이스(12)의 외부로 인출되는 한 쌍의 전극 리드(13)를 포함한다.
상기 파우치 케이스(12)는, 전극 조립체를 수용하는 수용부(12a) 및 수용부(12a)의 둘레에 형성되는 실링부(12b)를 포함한다. 상기 한 쌍의 전극 리드(13)는, 전극 조립체에 구비된 전극 탭(미도시)과 결합되며 실링부(12b)를 통해 파우치 케이스(12)의 외측으로 인출된다. 상기 한 쌍의 전극 리드(13)는, 배터리 셀(11)의 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라 연장된 형태를 갖는다. 상기 한 쌍의 전극 리드(13)는, 서로 동일한 방향 또는 서로 반대 방향으로 인출될 수 있다. 상기 한 쌍의 전극 리드(13)가 서로 반대 방향으로 인출된 배터리 셀(11)은 양방향 셀이라고 하고, 한 쌍의 전극 리드(13)가 서로 동일한 방향으로 인출된 배터리 셀(11)은 단방향 셀이라고 한다.
본 발명의 도면에서는 양방향 셀만을 도시하고 있으나, 이는 예시적인 것이며, 본 발명의 일 실시에에 따른 배터리 모듈(1)에 단방향 셀이 적용될 수도 있음은 물론이다.
한편, 본 발명의 복수 개의 배터리 셀(11)은 서로 대면하여 적층되어 셀 적층체를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 각 배터리 셀(11)은 한 쌍의 전극 리드(13)가 후술할 측부 커버(21)를 향하는 방향(X축과 나란한 방향)을 따라 연장되도록 후술할 하부 커버(22) 상에 기립 배치될 수 있다. 그리고 복수의 배터리 셀(11)은 배터리 모듈(1)의 길이 방향(Y축에 나란한 방향)을 따라 적층될 수 있다.
상기 배터리 셀(11)의 이러한 배치 형태로 인해 배터리 셀(11)의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 양 측부 중 적어도 일 측부는 후술할 냉각 유닛(30)과 인접하게 된다. 파우치 타입의 상기 배터리 셀(11)은, 이상 발열 및 그에 따른 내압 증가 시에 측부에서 벤팅(venting)이 발생되는 것이 일반적이다. 즉, 상기 배터리 셀(11)은, 내압 증가 시에 전극 리드(13)가 인출되는 방향(X축에 나란한 방향)에 형성되는 실링부(12b)보다 배터리 셀(11)의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 양 측부에 형성되는 실링부(12b)가 먼저 파단된다.
따라서, 상기 배터리 셀(11)의 벤팅 발생 시에, 냉각 유닛(30)은 신속히 파단되고 이로써 냉각액이 배터리 셀 어셈블리(10)와 직접 접촉하게 되어 화재 발생을 미리 방지하거나 또는 이미 발생된 화재를 신속히 진화 할 수 있게 된다.
상기 배터리 셀(11)의 벤팅 발생에 따라 신속히 파단될 수 있는 본 발명에 따른 냉각 유닛(30)의 구체적인 구조에 대해서는 상세히 후술하기로 한다.
한편, 상기 배터리 셀 어셈블리(10)는, 복수의 배터리 셀(11)을 전기적으로 연결하기 위한 버스바 프레임 어셈블리(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
상기 버스바 프레임 어셈블리는 한 쌍이 구비될 수 있다. 상기 버스바 프레임 어셈블리는, 버스바 프레임 및 적어도 하나의 버스바를 포함한다. 상기 버스바 프레임은, 복수의 배터리 셀(11)이 적층된 셀 적층체의 길이 방향 일 측 및 타 측에 각각 결합된다. 상기 버스바 프레임은 예를 들어 수지 재질과 같은 전기 절연성 재질로 구성될 수 있다. 상기 버스바 프레임은 전극 리드(13)가 인출되는 홀 및/또는 슬릿을 구비할 수 있다.
한편, 상기 버스바는 전기 전도성 재질, 이를테면 구리나 니켈과 같은 금속 재질로 구성될 수 있다. 그리고, 상기 버스바는, 버스바 프레임을 통해 인출된 서로 인접한 전극 리드(13)와 결합된다. 또한, 상기 버스바는, 버스바 프레임 상에 고정된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 모듈 하우징(20)은 측부 커버(21) 및 하부 커버(22)를 포함할 수 있다. 측부 커버(21)는 하부 커버(22) 상에 기립 배치되며 배터리 모듈의 측부를 감싼다. 이에 따라, 모듈 하우징(20)은 내부에 빈 공간이 형성되어 적어도 하나 이상의 배터리 셀 어셈블리(10)를 수용할 수 있다.
상기 모듈 하우징(20)은, 적어도 일측이 개방되도록 구성될 수 있다. 그리고, 이러한 개방 부분에 상기 냉각 유닛(30)이 위치하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2를 참조하면, 모듈 하우징(20)은 측부 커버(21) 및 하부 커버(22)를 포함하고, 냉각 유닛(30)은 배터리 셀 어셈블리(10)의 상부를 커버하도록 위치된다.
한편, 도시되지는 않았으나, 본 발명의 다른 실시예로, 모듈 하우징(20)의 하부 커버(22)는 냉각 유닛(30)으로 대체될 수도 있다. 이 경우, 모듈 하우징(20)은 측부 커버(21)만을 포함하게 되고, 배터리 셀 어셈블리(10)의 높이 방향(Z축에 나란한 방향) 양 측에 각각 냉각 유닛(30)이 배치될 수 있다.
상기 냉각 유닛(30)은, 제 1 냉각 플레이트(31) 및 냉각액 유로가 형성되도록 상기 제 1 냉각 플레이트(31)와 이격되며 상기 제 1 냉각 플레이트(31)보다 상기 배터리 셀 어셈블리(10)와 더 가깝게 배치되는 제 2 냉각 플레이트(32)를 포함한다.
상기 제 1 냉각 플레이트(31)와 제 2 냉각 플레이트(32)는 상호 이격되어, 그 사이에 냉각액이 흐를 수 있는 유로가 형성된다. 제 1 냉각 플레이트(31)와 제 2 냉각 플레이트(32)는, 예를 들면 알루미늄 등의 금속 재질로 이루어질 수 있다. 다만, 상기 제 1 냉각 플레이트(31)와 제 2 냉각 플레이트(32)의 재질이 이로써 한정되는 것은 아니며, 수지 재질로 이루어질 수도 있다. 상호 이격된 제 1 냉각 플레이트(31)와 제 2 냉각 플레이트(32)는, 예를 들어 각 플레이트의 테두리를 상호 브레이징 접합함으로써 서로 결합될 수 있다. 다만, 브레이징 접합이 아닌 다른 결합 방식도 가능하다.
이와 같이, 제 1 냉각 플레이트(31)와 제 2 냉각 플레이트(32) 사이로 냉각액을 통과시킬 수 있기 때문에, 본 발명의 배터리 모듈(1)은, 배터리 모듈(1)에 포함된 복수 개의 배터리 셀(11)을 간접적으로 냉각시킬 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 냉각 유닛(30)이 배터리 셀 어셈블리(10)의 상면(X-Y 평면과 나란한 면)을 덮는 구조로 되어 있기 때문에, 모듈 하우징(20) 내부에 수용된 복수의 배터리 셀(11)에 대한 간접 냉각이 가능하다.
상기 제 1 냉각 플레이트(31) 상에는 적어도 하나의 리세스(recess)(310)가 구비될 수 있다. 상기 제 1 냉각 플레이트(31)는, 제 1 유입부(311) 및 제 1 유출부(312)를 구비한다.
도 1을 참조하면, 상기 리세스(310)는, 제 2 냉각 플레이트(32)를 향하는 방향으로 오목하게 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 리세스(310)는 제 1 냉각 플레이트(31)의 외측면 상에서 보았을 때에는 오목한 형상을 가지며, 제 1 냉각 플레이트(31)의 내측면 상에서 보았을 때에는 볼록한 형상을 갖는다. 상기 리세스(310)는, 제 2 냉각 플레이트(32)와 접할 수 있고, 나아가, 제 2 냉각 플레이트(32)와 예를 들어 용접에 의해 견고하게 결합될 수 있다.
한편, 상기 리세스(310)는, 배터리 모듈(1)의 길이 방향(Y축과 나란한 방향) 또는 폭 방향(X축과 나란한 방향)을 따라 연장된 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 리세스(310)는 제 1 냉각 플레이트(31) 상에 복수 개 구비될 수 있고, 복수 개의 상기 리세스(310)는 상호 이격되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 1과 같이, 리세스(310)는 배터리 모듈(1)의 폭 방향(X축과 나란한 방향)을 따라 길게 연장된 형태를 가질 수 있고, 상호 이격되어 일렬로 나란히 배치될 수 있다. 상기 제 1 냉각 플레이트(31)와 제 2 냉각 플레이트(32) 사이, 즉, 냉각 유닛(30) 내부에서 볼 때, 상기 리세스(310)는 배터리 모듈(1)의 폭 방향(X축과 나란한 방향)으로 길게 연장되어 냉각액 유로를 부분적으로 구획하는 격벽으로서 기능할 수 있다. 따라서, 리세스(310)는, 냉각 유닛(30) 내로 유입된 냉각액이 냉각 유닛(30) 곳곳으로 원활하게 유동할 수 있도록 안내하는 역할을 할 수 있다. 이에 따라, 배터리 모듈(1)의 냉각 효율이 높아질 수 있다.
한편, 도시되지는 않았으나, 리세스(310)가 배터리 모듈(1)의 길이 방향(Y축과 나란한 방향)을 따라 연장된 형태를 가질 수도 있다. 또는, 상기 리세스(310)는, X축 및 Y축과 소정 각도를 이루는 방향을 따라 연장된 형태를 가질 수도 있다.
상기 제 1 유입부(311)는 냉각 유닛(30)으로 냉각액을 유입하는 통로로서 기능한다. 상기 제 1 유출부(312)는 냉각 유닛(30)으로부터 냉각액을 유출하는 통로로서 기능한다. 상기 제 1 유입부(311)와 제 1 유출부(312)는, 제 1 냉각 플레이트(31)의 가장자리 둘레 중 일부에 형성될 수 있다. 상기 제 1 유입부(311)와 제 1 유출부(312)는, 도 1과 같이, 동일한 방향에 형성될 수 있다. 또는, 도시되지는 않았으나, 상기 제 1 유입부(311)와 제 1 유출부(312)는 서로 반대편에 형성될 수도 있다.
상기 제 2 냉각 플레이트(32)는 패턴부(320)를 구비한다. 상기 제 2 냉각 플레이트(32)는, 제 2 유입부(321) 및 제 2 유출부(322)를 구비한다.
상기 패턴부(320)는, 제 2 냉각 플레이트(32)의 두께를 감소시키도록 형성된 적어도 하나 이상의 홈(G)을 포함한다. 상기 패턴부(320)는 상기 제 2 냉각 플레이트(32)의 양 면 중 적어도 일 면에 형성될 수 있다. 이에 대해서는 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 모듈을 도시한 도 2에서 A-A'를 따라 절단한 단면을 보여주는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 제 2 냉각 플레이트(32)의 양 면 중 배터리 셀(11)과 마주보는 면의 일부분에, 패턴부(320)가 형성되어 있다. 상기 패턴부(320)는, 제 2 냉각 플레이트(32)의 두께가 감소되도록 형성된 홈(G)을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시된 패턴부(320)는 6개의 홈(G)을 포함하고 있다. 상기 홈(G)이 복수개 형성되는 경우, 복수의 홈(G)은 배터리 모듈(1)의 길이 방향(Y축에 나란한 방향)을 따라 상호 이격되어 위치한다. 상기 패턴부(320)가 제 2 냉각 플레이트(32)의 양 면 중 배터리 셀(11)과 마주보는 면 상에 형성되는 경우, 제 2 냉각 플레이트(32)가 배터리 셀(11)의 벤팅에 따라 분출되는 고온의 가스 및/또는 스파크와의 접촉으로 인해 신속히 파단될 수 있다.
한편, 도 4 내지 도 6을 참조하면, 상기 홈(G)은 그 단면의 형상이 대략 삼각 형상(도 4 참조), 대략 사각 형상(도 5 참조), 대략 반원 형상(도 6 참조)일 수 있다. 다만, 상기 홈(G)의 형상이 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 제 2 냉각 플레이트(32)의 두께를 부분적으로 감소시킬 수 있는 형상이면 어떤 형상이라도 가능하다.
한편, 본 발명의 도면에 도시되지는 않았으나, 도 4 내지 도 6에 도시된 것과는 다르게, 본 발명의 다른 실시 형태를 따르는 패턴부(320)가 제 2 냉각 플레이트(32)의 양 면 중 제 1 냉각 플레이트(31)와 마주보는 면 상에 형성될 수도 있고, 또는, 양 면 모두에 형성될 수도 있다.
한편, 상기 홈(G)은, 배터리 셀(11)의 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라 연장된 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 각 배터리 셀(11)은 X축 방향을 길이 방향으로 하여, 기립 배치되어 있고, 홈(G)도 X축 방향을 따라 연장된 형태를 갖는다. 따라서, 상기 패턴부(320)의 파단 시에 배터리 셀(11)의 폭 방향(Z축에 나란한 방향) 일 측 또는 양 측의 실링부(12b)의 연장 방향을 따라 냉각액이 공급되어 화재의 발생을 효과적으로 방지하거나 이미 발생된 화재를 신속히 진화할 수 있게 된다. 이러한 패턴부(320)의 기능을 고려하여, 복수의 홈(G)과 복수의 배터리 셀(11) 각각의 실링부(12b)는 서로 일대일로 대응되도록 배치될 수 있다.
한편, 배터리 셀(11)의 이상으로 인해 배터리 셀(11)의 벤팅이 발생하고 이로 인해 고온의 가스 및/또는 스파크가 발생하는 경우에 있어서 안전성을 확보할 수 있도록 하는 본 발명의 냉각 메커니즘에 대해서는, 도 7 및 도 8을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
도 7은, 도 4의 일부 배터리 셀(11)의 벤팅으로 인해 가스 및/또는 스파크가 분출되는 경우를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은, 냉각액이 개방부(H)를 통해 배터리 셀 어셈블리(10)로 유입되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 복수 개의 배터리 셀(11) 중, 특정 배터리 셀(11)에서 이상 발열이 발생하여, 고온의 가스 및/또는 스파크가 분출될 수 있다. 상기 스파크는 배터리 셀(11)의 벤팅 시에 외부로 분출되는 고온의 금속 입자 및/또는 고온의 전극 활물질 조각 등을 포함한다. 도 7을 참조하면, 상기 제 2 냉각 플레이트(32)의 양 면 중 배터리 셀(11)과 마주보는 면 상에는 패턴부(320)가 형성되어 있고, 상기 패턴부(320)는 배터리 셀(11)의 길이 방향(X축에 나란한 방향)을 따라 연장된 형태를 갖는 홈(G)을 복수 개 포함하고 있다. 상기 홈(G)이 형성된 영역 중 적어도 일 부분에서 제 2 냉각 플레이트(32)의 두께가 최소가 될 수 있다. 한편, 배터리 셀(11)의 벤팅에 따라 분출되는 고온의 가스 및/또는 스파크가 상기 홈(G)과 접촉할 수 있고, 이 때, 홈(G) 부위 중, 제 2 냉각 플레이트(32)의 두께가 최소가 되는 지점에서, 제 2 냉각 플레이트(32)가 부분적으로 용융 및/또는 파단됨으로써 개방부(H)가 형성될 수 있다.
이로 인해, 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 제 1 냉각 플레이트(31)와 제 2 냉각 플레이트(32) 사이를 흐르는 냉각액이 상기 개방부(H)를 통해 배터리 모듈(1) 안으로 유입될 수 있다. 이에 따라, 냉각액은 배터리 셀(11)과 직접 접촉하여 배터리 셀(11)을 신속하게 냉각시킬 수 있고, 주변 배터리 셀(11)로의 열전이를 최소화하여 열폭주(thermal runaway) 및 그로 인한 큰 규모의 화재를 방지할 수 있다.
상기 제 2 유입부(321)는 냉각 유닛(30)으로 냉각액을 유입하는 통로로서 기능한다. 상기 제 2 유출부(322)는 냉각 유닛(30)으로부터 냉각액을 유출하는 통로로서 기능한다. 상기 제 2 유입부(321)와 제 2 유출부(322)는, 제 2 냉각 플레이트(32)의 가장자리 둘레 중 일부에 형성될 수 있다. 상기 제 2 유입부(321)와 제 2 유출부(322)는, 도 1과 같이 동일한 방향에 형성될 수 있다. 또는, 도시되지는 않았으나, 상기 제 2 유입부(321)와 제 2 유출부(322)는 서로 반대편에 형성될 수도 있다. 다만, 상기 제 2 유입부(321)는 제 1 유입부(311)와 대응되는 위치에, 제 2 유출부(322)는 제 1 유출부(312)와 대응되는 위치에 형성되어야만, 냉각액의 유출입 통로로서 기능할 수 있을 것이다. 이는, 상기 제 1 유입부(311)와 제 2 유입부(321)가 결합되어 냉각액 인렛을 형성하고, 제 1 유출부(312)와 제 2 유출부(322)가 결합되어 냉각액 아웃렛을 형성하기 때문이다.
다만, 본 발명의 도면에서는, 제 1 냉각 플레이트(31)에 형성된 제 1 유입부(311)와 제 2 냉각 플레이트(32)에 형성된 제 2 유입부(321)가 상호 결합되어 냉각액 인렛을 형성하고, 마찬가지로 제 1 냉각 플레이트(31)에 형성된 제 1 유출부(312)와 제 2 냉각 플레이트(32)에 형성된 제 2 유출부(322)가 상호 결합되어 냉각액 아웃렛을 형성하는 경우만을 도시하고 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 상기 냉각액 인렛 및 냉각액 아웃렛은, 냉각액의 유출입이 가능한 구조를 갖는다면 어느 것이라도 될 수 있다. 예를 들면, 냉각 유닛(30)의 적어도 일부에 개구부가 형성된 구조, 또는 파이프가 형성된 구조 등을 예시할 수 있다.
도 9는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배터리 팩(2)을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 배터리 팩(2)은, 상술한 본 발명에 따른 배터리 모듈(1)을 복수 개 포함할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 배터리 팩(2)은, 이러한 배터리 모듈(1) 이외에 다른 다양한 구성요소, 이를테면, BMS, 팩 케이스, 릴레이, 전류 센서 등과 같은 본 발명의 출원 시점에 공지된 배터리 팩(2)의 구성요소 등을 더 포함할 수 있다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차(3)를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 자동차(3)는, 본 발명에 따른 배터리 모듈(1)을 하나 이상 포함할 수 있다. 특히, 자동차(3)는, 큰 에너지 용량을 갖기 위해, 본 발명에 따른 배터리 모듈(1)이 서로 전기적으로 연결된 형태로 복수 개 포함되도록 할 수 있다. 또는, 본 발명에 따른 배터리 모듈(1)은, 복수 개가 하나의 배터리 팩(2)을 구성할 수 있고, 상기 자동차(3)가 이러한 배터리 팩(2)을 적어도 하나 포함할 수 있다.
한편, 도시되지는 않았으나, 본 발명에 따른 배터리 모듈(1)은, 에너지 저장 시스템에 하나 이상 포함될 수 있다. 특히, 에너지 저장 시스템은, 큰 에너지 용량을 갖기 위해, 본 발명에 따른 배터리 모듈(1)이 서로 전기적으로 연결된 형태로 복수 개 포함되도록 할 수 있다. 또는, 본 발명에 따른 배터리 모듈(1)은, 복수 개가 하나의 배터리 팩(2)을 구성할 수 있고, 상기 에너지 저장 시스템이 이러한 배터리 팩(2)을 복수 개 포함할 수 있다.
한편, 본 명세서에서는 상, 하와 같은 방향을 나타내는 용어가 사용되었으나, 이러한 용어들은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 대상이 되는 사물의 위치나 관측자의 위치 등에 따라 달라질 수 있음은 본 발명의 통상의 기술자에게 자명하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1 배터리 모듈
2 배터리 팩
3 자동차
10 배터리 셀 어셈블리
11 배터리 셀
12 파우치 케이스
12a 수용부
12b 실링부
13 전극 리드
20 모듈 하우징
21 측부 커버
22 하부 커버
30 냉각 유닛
31 제 1 냉각 플레이트
310 리세스
311 제 1 유입부
312 제 1 유출부
32 제 2 냉각 플레이트
320 패턴부
321 제 2 유입부
322 제 2 유출부
G 홈
H 개방부

Claims (14)

  1. 복수 개의 배터리 셀들을 포함하는 배터리 셀 어셈블리;
    적어도 하나 이상의 상기 배터리 셀 어셈블리를 수용하는 내부 공간을 갖는 모듈 하우징; 및
    상기 배터리 셀 어셈블리의 일 측에 위치하며, 상기 배터리 셀의 벤팅 발생에 따라 파단될 수 있는 냉각 유닛; 을 포함하고,
    상기 냉각 유닛은, 제 1 냉각 플레이트 및 냉각액 유로가 형성되도록 상기 제 1 냉각 플레이트와 이격되며 상기 제 1 냉각 플레이트보다 상기 배터리 셀 어셈블리와 더 가깝게 배치되는 제 2 냉각 플레이트; 를 포함하고,
    상기 제 2 냉각 플레이트의 적어도 일 부분에는 패턴부가 구비되어 있으며,
    상기 패턴부는, 상기 제 2 냉각 플레이트의 두께를 감소시키도록 형성된 적어도 하나의 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 모듈 하우징은, 측부 커버 및 하부 커버를 포함하고,
    상기 냉각 유닛은, 상기 배터리 셀 어셈블리의 상부를 커버하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴부는, 상기 제 2 냉각 플레이트의 양 면 중 적어도 일 면에 형성되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 냉각 플레이트는, 상기 제 2 냉각 플레이트를 향하는 방향으로 오목하게 형성된 리세스(recess)를 적어도 하나 이상 구비하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 리세스는, 상기 제 2 냉각 플레이트와 접하는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 리세스는, 상기 배터리 모듈의 길이 방향 또는 폭 방향을 따라 연장된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 냉각 플레이트는 상기 리세스를 복수 개 구비하고,
    복수 개의 상기 리세스는 상호 이격되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은,
    한 쌍의 전극 리드를 구비하는 파우치형 셀인 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 배터리 셀은,
    상기 한 쌍의 전극 리드가 상기 측부 커버를 향하는 방향을 따라 연장되도록 상기 하부 커버 상에 기립 배치되는 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 냉각 플레이트는, 알루미늄으로 이루어진 것을 특징으로 하는 배터리 모듈.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 및 제 5 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 배터리 모듈을 포함하는 배터리 팩.
  13. 제 12 항에 기재된 배터리 팩을 포함하는 자동차.
  14. 제 12 항에 기재된 배터리 팩을 포함하는 에너지 저장 시스템.
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